CN111253502A - 水溶性天然多糖抗菌衍生物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水溶性天然多糖抗菌衍生物，其分子结构如下式I所示：
其中：R1为
或
R2为
x、y、n为自然数，0＜x≦107，0＜y≦107，10≦n≦107，且0＜n‑x‑y≦107。该衍生物具有广谱的抗菌性能和良好的水溶性，且兼顾了其生物安全性，细胞毒性小，是一种绿色抗菌产品。本发明还公开了该水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及多糖领域。更具体地，涉及一种水溶性天然多糖抗菌衍生物及其制备方法。
背景技术
壳聚糖是自然界中唯一的碱性天然多糖，通常为白色或淡黄色片状固物或青白色粉末，难溶于水，可溶于醋酸和无机酸等稀酸溶液。其化学名称为聚葡萄糖胺，是由线性聚合物甲壳质脱乙酰后的产物。
壳聚糖及其衍生物是重要的生物活性物质，具有抗肿瘤、抗凝血、抗血栓、降血脂、抗菌和增强免疫力等功能。壳聚糖在生物医学、环境科学、农业、食品、日用化妆品等领域都有着广阔的应用前景，可用作医药保健品、食品、日用化妆品等的添加剂，也可作为人造皮肤和手术缝合线等的重要原料。在特定的条件下，壳聚糖能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应(J.Adv.Drug.Deliv.Rev.2001,50,591.)，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围，比如获得具有一定抑菌性的壳聚糖衍生物。
然而现有的对壳聚糖的抑菌性的改善的研究中，都只能在某种程度上提高壳聚糖的抑菌性能，但是抑制作用仅针对特定的菌群，并不具有广谱性。
此外，随着社会生活水平的提高，人们更加关注婴幼儿相关产品的安全问题，因此，需要提供一种既具有广谱抑菌功能又具有较高生物安全性，尤其适用于婴幼儿产品的新型抗菌材料。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种水溶性天然多糖抗菌衍生物，其具有广谱的抑菌性，且抑菌效果好，同时兼具高的生物安全性，细胞毒性小，绿色环保，具有较大的应用范围。
本发明的另一个目的在于提供一种水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种水溶性天然多糖抗菌衍生物，其分子结构如下式I所示：
其中：
R1为
R2为
x、y、n为自然数，0＜x≦107，0＜y≦107，10≦n≦107，且0＜n-x-y≦107；
M选自Cl-或CH3COO-。
为达到上述第二个目的，本发明还提供一种水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)配制壳聚糖的稀酸水溶液；
2)向所述壳聚糖的稀酸水溶液中加入单氰胺或双氰胺，进行反应；
3)向步骤2)得到的反应液中加入三氧化硫脲，进行反应；
4)将步骤3)得到的反应液净化、干燥后得所述水溶性天然多糖抗菌衍生物。
优选地，步骤1)中，所述壳聚糖的数均分子量为10-107，脱乙酰度为50-100％；所述壳聚糖的稀酸水溶液的浓度为0.001-0.1g/mL。
优选地，步骤1)中，配制的方法为：将壳聚糖溶解于稀酸溶液中，得壳聚糖的稀酸水溶液；所述稀酸溶液中，稀酸的浓度为0.01-0.5mol/L，稀酸选自盐酸或醋酸。
优选地，所述溶解的条件为：在60-110℃温度下恒温搅拌。
优选地，步骤2)中，所述单氰胺或双氰胺与壳聚糖的摩尔比为0.5-5:1。
优选地，步骤2)中，所述反应的条件为：在60-110℃之间恒温搅拌6-48小时。
优选地，步骤3)中所述三氧化硫脲与步骤1)中所述壳聚糖的摩尔比为0.5-5:1，三氧化硫脲的投料时间为30-90分钟。
优选地，步骤3)中，所述反应的条件为：在20-80℃温度下恒温搅拌。
优选地，步骤4)中，所述净化包括过滤、去离子水透析；所述去离子水透析的过程中，每5-10小时换水一次，换水6-8次。采用去离子水透析既可以去除小分子副产物或杂质、纯化样品，又避免了醇析法所造成的杂质去除不干净的缺点。
优选地，步骤4)中，所述干燥为微波真空干燥。采用微波真空干燥的方法来处理所得样品，真空负压降低了溶液样品沸点，既避免了传统样品烘干过程中抑菌基团因高温分解而导致的抑菌效果下降，还大幅度提高了干燥效率。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的水溶性天然多糖抗菌衍生物，在提高壳聚糖水溶性的同时改善了壳聚糖抑菌性能的广谱性，对包括但不限于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌(尤其是白色念珠菌)等均具有良好的抑菌性能。另外，相对于季铵盐改性壳聚糖来说，本发明的水溶性天然多糖抗菌衍生物细胞毒性小，生物安全性高，更适用于婴幼儿等特殊群体的相关卫生产品。
本发明提供的水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法中，操作简单，可在反应釜内分次投料一锅反应制得，所用主要原料壳聚糖多糖为来源极为丰富的天然高分子甲壳素的脱乙酰产物，所需设备简单，安全性高，适合工业化生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例1中制备得到的水溶性天然多糖抗菌衍生物的红外谱图(1)及使用的原料壳聚糖的红外谱图(2)。
图2示出本发明实施例1所制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物对金色葡萄球菌抗菌性能测试的结果照片。
图3示出本发明实施例1制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物材料和商品化季铵盐壳聚糖衍生物抗菌材料对ME3T3-E1细胞的毒性对比实验结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的实施方式中，水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备反应过程如下式所示：
其中，
R2为
x、y、n为自然数，0＜x≦107，0＜y≦107，10≦n≦107，且0＜n-x-y≦107；
M选自Cl-或CH3COO-。
以下，提供一些具体实施例来进行说明：
实施例1
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将0.5克分子量为5万脱乙酰度为98％以上的壳聚糖加入到100毫升浓度为0.1mol/L的稀盐酸中，60℃油浴条件下，机械搅拌半小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.005g/mL的均匀溶液；将油浴升温至110℃，向壳聚糖溶液中一次性加入1.3克双氰胺，双氰胺与壳聚糖的摩尔比为5:1，保持恒温搅拌6小时；将反应液降温至60℃，然后将0.77克三氧化硫脲(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:2)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时；反应液过滤后装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔四小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物(结构式见式Ⅱ)。
图1为多糖原料和本实施例制备得到的水溶性天然多糖抗菌衍生物的红外谱图。通过对比两条谱线可以看出，原料壳聚糖在3420cm-1处出现的宽峰对应着-NH2和-OH的伸缩振动，而改性后得到的天然多糖抗菌衍生物该处峰位置发生红移且变宽。这个位置的峰变宽还说明，这些-NH2和-OH存在着强弱不同的分子内和分子间氢键，峰宽的差异，又反映了氢键的强弱。而天然多糖抗菌衍生物谱图上峰位发生红移且变宽，意味着氢键消失，说明多糖链上发生了衍生化反应；同时原本在原料壳聚糖1597cm-1处出现的-NH2-弯曲振动消失了，而改性后得到的产品谱图上在1641cm-1和1531cm-1处出现在的峰分别归属于C＝N的伸缩振动峰和N-H的弯曲振动峰。二者谱图上的这些变化充分说明改性功能基团通过氨基成功的接枝到了多糖的分子链上。
图2为本发明实施例1所制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物按照GB15979-2002《一次性卫生用品卫生标准》中浇板法对革兰氏阳性菌-金黄色葡萄球菌的抗菌性能测试的结果照片，从左到右所采用浓度依次是为0.5mg/ml、0.25mg/ml、0.125mg/ml，本实施例中制备的新型天然多糖抗菌材料(溶解在中性的去离子水中)与菌液作用以及空白对照组(不添加任何抗菌剂)取样浇板后，在37℃的恒温恒湿培养箱中培养36小时后的抗菌测试结果。该结果表明：本实施例制备的新型天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌具有良好抑制性能。
对本实施例制备的产品采用浇板法对金黄色葡萄球菌抑菌率的数据统计结果如下表：
表1新型天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌抑菌性能测试结果
另外，采用同样的标准方法将实施例1制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌和真菌白色念珠菌分别进行了抗菌性能测试，抑菌率统计结果分别见表2和表3：
表2新型天然多糖抗菌衍生物对大肠杆菌抑菌性能测试结果
表3新型天然多糖抗菌衍生物对白色念珠菌抑菌性能测试结果
从表2和表3中可以看出，实施例1制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌和真菌白色念珠菌具有良好的抑制效果。
图3为本发明实施例1制备的水溶性天然多糖抗菌衍生物材料和商品化季铵盐壳聚糖衍生物抗菌材料对ME3T3-E1细胞的毒性对比实验结果。该实验结果说明：水溶性天然多糖抗菌衍生物材料细胞毒性较小，即其生物安全性明显优于商品化季铵盐壳聚糖衍生物抗菌材料。
以上各数据结果说明：实施例1制备得到的水溶性天然多糖抗菌衍生物不但具有良好的广谱抗菌性能，而且在有效抑菌浓度下细胞正常生长，具有良好的生物安全性。
实施例2
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将1.0克分子量为10万脱乙酰度为98％的壳聚糖加入到100毫升浓度为0.1mol/L的稀盐酸中，60℃的油浴条件下机械搅拌一小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.01g/mL的均匀溶液；将油浴升温至105℃，向壳聚糖溶液体系中一次加入1.05克单氰胺，单氰胺与壳聚糖的摩尔比4:1，恒温保持搅拌6小时；然后油浴内的反应液降温至55℃，将0.77克三氧化硫脲(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:1)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时停止加热和搅拌；反应液冷至室温后过滤装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔四小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物。具体结构式如下式III所示。该天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及白色念珠菌的抑菌性效果与实施例1中的相近。
实施例3
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将2.0克分子量为20万脱乙酰度为95％的壳聚糖加入到100毫升浓度为0.15mol/L的稀盐酸中，60℃的油浴条件下机械搅拌一小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.02g/mL的均匀溶液；将油浴升温至100℃，向壳聚糖油浴液体系中一次加入2.08克双氰胺，双氰胺与壳聚糖的摩尔比2：1，100℃油浴条件下恒温搅拌12小时；然后油浴内的反应液降温至50℃，将3.08克三氧化硫脲；(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:2)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时停止加热和搅拌；反应液冷至室温过滤后装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔四小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物。具体结构式与实施例1(式Ⅱ)类似。该天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及白色念珠菌的抑菌性效果与实施例1中的相近。
实施例4
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将5.0克分子量为50万脱乙酰度为80％的壳聚糖加入到100毫升浓度为0.15mol/L的稀盐酸中，60℃的油浴条件下机械搅拌一小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.05g/mL的均匀溶液；油浴升温至80℃，向壳聚糖水溶液体系一次加入单氰胺3.91克，单氰胺与壳聚糖的摩尔比3:1，80℃条件下反应保持24小时；然后油浴内的反应液降温至50℃，将5.78克三氧化硫脲；(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:1.5)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时停止加热和搅拌；反应液冷至室温过滤后装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔五小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物，结构式与实施例2(式III)类似。该天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及白色念珠菌的抑菌性效果与实施例1中的相近。
实施例5
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将7.0克分子量为50万脱乙酰度为80％的壳聚糖加入100毫升浓度为0.3mol/L的稀盐酸中，70℃的油浴条件下机械搅拌二小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.07g/mL的均匀溶液；70℃的油浴条件下，向壳聚糖水溶液体系中一次加入单氰胺1.83克，单氰胺与壳聚糖的摩尔比1：1，恒温保持36小时；然后油浴内的反应液降温至58℃，将13.48克三氧化硫脲；(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:2.5)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时停止加热和搅拌；反应液冷至室温过滤后装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔四小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物。具体结构式与实施例4(式Ⅲ)类似。该天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及白色念珠菌的抑菌性效果与实施例1中的相近。
实施例6
水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，包括如下步骤：
将10克分子量为100万脱乙酰度为50％的壳聚糖加入到100毫升浓度为0.5mol/L的稀醋酸中，60℃的油浴条件下机械搅拌两小时，以便壳聚糖溶解完全，从而得到壳聚糖浓度为0.1g/mL的均匀溶液；60℃的油浴条件下，向壳聚糖水溶液体系中一次加入双氰胺2.61克，双氰胺与壳聚糖的摩尔比0.5：1，60℃条件下反应保持48小时；然后油浴内的反应液降温至50℃，将23.11克三氧化硫脲；(壳聚糖与三氧化硫脲的摩尔比为1:3)在60-90分钟时间内缓慢均匀的投入反应液中，然后再恒温持续搅拌反应半小时停止加热和搅拌；反应液冷至室温过滤后装入透析袋，将透析袋两端扎紧放入去离子水中透析处理，每隔四小时换水一次，换水八次后将透析液放入微波真空干燥机处理，即可得干燥的所述水溶性天然多糖抗菌衍生物(结构式见式Ⅳ)。该天然多糖抗菌衍生物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及白色念珠菌的抑菌性效果与实施例1中的相近。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种水溶性天然多糖抗菌衍生物，其特征在于，其分子结构如下式I所示：
其中：
R1为
R2为
x、y、n为自然数，0＜x≦107，0＜y≦107，10≦n≦107，且0＜n-x-y≦107；
M选自Cl-或CH3COO-。
2.如权利要求1所述的水溶性天然多糖抗菌衍生物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)配制壳聚糖的稀酸水溶液；
2)向所述壳聚糖的稀酸水溶液中加入单氰胺或双氰胺，进行反应；
3)向步骤2)得到的反应液中加入三氧化硫脲，进行反应；
4)将步骤3)得到的反应液净化、干燥后得所述水溶性天然多糖抗菌衍生物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述壳聚糖的数均分子量为10-107，脱乙酰度为50-100％；所述壳聚糖的稀酸水溶液的浓度为0.001-0.1g/mL。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，配制的方法为：将壳聚糖溶解于稀酸溶液中，得壳聚糖的稀酸水溶液；所述稀酸溶液中，稀酸的浓度为0.01-0.5mol/L，稀酸选自盐酸或醋酸。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述溶解的条件为：在60-110℃温度下恒温搅拌。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述单氰胺或双氰胺与壳聚糖的摩尔比为0.5-5:1；优选地，步骤2)中，所述反应的条件为：在60-110℃之间恒温搅拌6-48小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述三氧化硫脲与步骤1)中所述壳聚糖的摩尔比为0.5-5:1，三氧化硫脲的投料时间为30-90分钟；优选地，步骤3)中，所述反应的条件为：在20-80℃温度下恒温搅拌。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述净化包括过滤、去离子水透析；所述去离子水透析的过程中，每5-10小时换水一次，换水6-8次。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述干燥为微波真空干燥。
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